دانلود ترجمه مقاله رفتار استاتیک، دینامیکی و خستگی اشکال ساقه تازه طراحی شده برای پروتز های لگن – الزویر 2007

رفتار استاتیک، دینامیکی و خستگی اشکال ساقه تازه طراحی شده برای پروتز های لگن با استفاده از آنالیز عناصر محدود

Static, dynamic and fatigue behavior of newly designed stem shapes for hip prosthesis using finite element analysis

چکیده

1. مقدمه

2. CAD و مدل المان محدود

2.1. مدل CAD

2.2. مدل المان محدود

2.3. مدل های ماده

2.4. شرایط بارگذاری

3. تجزیه و تحلیل المان محدود و نتایج

4. تجزیه و تحلیل خستگی

5. نتایج تجزیه و تحلیل خستگی

6. نتیجه گیری

چکیده

نیروهای اعمال شده برای ایمپلنت ناشی از فعالیت انسانی، تنش های پویای مختلف را در زمان تولید می کند و به خستگی مواد ایمپلنت منجر می شود. بنابراین، اطمینان حاصل نمودن از پروتزهای مفصل ران در برابر خرابی استاتیک، پویا و خستگی مهم است. روش المان محدود در بیومکانیک ارتوپدی به عنوان یک ابزار مهم در طراحی و تجزیه و تحلیل تعویض های کلی مفصل و سایر دستگاه های ارتوپدی استفاده می شود. در این مطالعه، چهار شکل ساقه با انحناهای مختلف برای پروتز مفصل ران مدلسازی شده اند. رفتار استاتیک، پویا و خستگی از این اشکال ساقه طراحی شده با استفاده از برنامه تجزیه و تحلیل تجاری المان محدود ANSYS مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. تجزیه و تحلیل استاتیک تحت بار بدن انجام شد. تجزیه و تحلیل های دینامیکی تحت بار رونده انجام شد. Pro/Engineer برای مدل سازی CAD اشکال ساقه مورد استفاده قرار گرفت. رفتار خستگی از اشکال ساقه با استفاده از نرم افزار ANSYS WORKBENCH پیش بینی شده بود. عملکرد اشکال ساقه برای Ti–6Al–4V و مواد فلزی کبالت-کروم بررسی شده است و با شکل ساقه معمولاً استفاده شده توسعه یافته توسط Charnley مقایسه شده است.

6. نتیجه گیری

هدف از این مطالعه تعیین استقامت خستگی ایمپلنت سیمان بود. در این مطالعه، چهار شکل ساقه مختلف برای پروتز مفصل ران طراحی شده است. اشکال ساقه دارای هندسه انحناهای مختلف بودند. ساقه اول دارای هندسه مستقیم استاندارد است. دو تای دیگر هندسه بریده دارند و آخری، دارای هندسه منحنی است. انواع بریده و منحنی به منظور کاهش لغزش ایمپلنت در استخوان-سیمان و چسبیدن ایمن ایمپلنت به سیمان-استخوان طراحی شده اند. تجزیه و تحلیل های استاتیک و دینامیک FE ساقه ها با استفاده از ANSYS انجام شده است. بر اساس نتایج تجزیه و تحلیل ایستا و پویای FE، عوامل ایمنی برای عمر خستگی محاسبه شده است. محاسبات خستگی برای Ti–6Al–4V و مواد آلیاژ کبالت-کروم بر اساس نظریه خستگی Goodman، Solderberg، و Gerber انجام شده اند. همه محاسبات با توجه به معیارهای عمر خستگی بی نهایت انجام شده است. تحلیل های المان محدود این مطالعه نشان می دهد که تمام اشکال ساقه در برابر خرابی خستگی بی خطر هستند. بهترین شکل ساقه برای خستگی تحت بارگذاری استاتیکی ساقه-3 ساخته شده از مواد Ti–6Al–4V است. ساقه-3 ساخته شده از مواد Ti–6Al–4V تحت بارگذاری دینامیکی، بهترین است. با این حال، عوامل ایمنی در شرایط بارگذاری استاتیک و دینامیک متفاوت هستند. این نشان می دهد که اشکال ساقه پیش بینی شده در برابر خستگی تحت بارگذاری استاتیکی امن، ممکن است در زیر بارگذاری تکراری پویا خراب شوند.

Abstract

Forces applied to the implant due to human activity generate dynamic stresses varying in time and resulting in the fatigue failure of implant material. Therefore, it is important to ensure the hip prostheses against static, dynamic and fatigue failure. Finite element method has been used in orthopedic biomechanics as an important tool in the design and analysis of total joint replacements and other orthopedic devices. In this study, four stem shapes of varying curvatures for hip prosthesis were modeled. Static, dynamic and fatigue behavior of these designed stem shapes were analyzed using commercial finite element analysis code ANSYS. Static analyses were conducted under body load. Dynamic analyses were performed under walking load. Pro/Engineer was used for CAD modeling of the stem shapes. Fatigue behavior of stem shapes was predicted using ANSYS Workbench software. Performance of the stem shapes was investigated for Ti–6Al– 4V and cobalt–chromium metal materials and compared with that of a commonly used stem shape developed by Charnley. Published by Elsevier Ltd.

6. Conclusion

The aim of this study was to determine the fatigue endurance of cemented implant. In this study, four different stem shapes for hip prosthesis are designed. Stem shapes have geometries of varying curvatures. First stem has standard straight geometry. The other two have notched geometries and the last one has curved geometry. The notched and curved types are designed to reduce sliding of the implant in the bone-cement and to stick the implant to the bonecement securely. Static and dynamic FE analyses of stems have been conducted using ANSYS. Based on static and dynamic FE analysis results, safety factors for fatigue life have been calculated. Fatigue calculations have been carried out for Ti–6Al–4V and cobalt–chromium alloy materials based on Goodman, Soderberg, and Gerber fatigue theories. All calculations are performed according to the infinite fatigue life criteria. Finite element analyses in this study show that all stem shapes are safe against fatigue failure. The best stem shape for fatigue under static loading is Stem-3 made of Ti–6Al– 4V material. Stem-3 made of Ti–6Al–4V material is also best under dynamic loading. However, safety factors differ under static and dynamic loading conditions. This indicates that stem shapes predicted to be safe against fatigue under static loading may fail under dynamic repetitive loadings.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

رفتار استاتیک، دینامیکی و خستگی اشکال ساقه تازه طراحی شده برای پروتز های لگن با استفاده از آنالیز عناصر محدود

Static, dynamic and fatigue behavior of newly designed stem shapes for hip prosthesis using finite element analysis